引言?

未來戰(zhàn)爭主要是信息戰(zhàn)，為適應(yīng)這種新的作戰(zhàn)形態(tài)，21世紀戰(zhàn)場士兵的身份也應(yīng)通過信息網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)字化、?隱形化、?安全化。生物特征識別技術(shù)是利用人體固有的生理或行為特征來進行身份識別和鑒定的科學,它比傳統(tǒng)的基于口令和身份號碼的方法更為安全、?可靠和有效,正在越來越被人們所關(guān)注,并應(yīng)用于各個領(lǐng)域。軍人身份牌，?又稱/士兵牌0或/生命牌0，早在美國南北戰(zhàn)爭時，美軍就開始配發(fā)這種小金屬牌，作為士兵隨身攜帶的身份標志物。為了適應(yīng)現(xiàn)代高技術(shù)局部戰(zhàn)爭的需要，利用生物特征識別技術(shù)的特點，基于無限射頻識別技術(shù)?(?RadioFrequency?Ident?i?ficati?on?,?簡稱?RFID)，將人體信息如指紋、?面像及?DNA?等，通過信息融合技術(shù)儲存在后臺數(shù)據(jù)庫中，并將檢索關(guān)鍵信息載入?RFID?卡，?即/士兵牌0。用它來作為士兵身份準確識別的唯一依據(jù),并通過計算機終端與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫服務(wù)器組建成了/戰(zhàn)場個人身份識別系統(tǒng)0。

目前，基于各種生物特征識別技術(shù)的身份識別系統(tǒng),正在越來越受人們的青睞,并逐步應(yīng)用于各個領(lǐng)域。但是，由于單個生物特征識別的信息表達和特征描述存在一定的局限性,為此,采用信息融合技術(shù),通過對指紋、?面像及?DNA?等信息融合處理的個人多模態(tài)生物特征識別系統(tǒng)，不僅加強了身份識別的安全性,更提高了它的準確性，并將填補我軍類似/軍人牌0或/士兵牌0在相關(guān)領(lǐng)域的研究空白。?

1??系統(tǒng)總體設(shè)計?

目前，基于各種生物特征識別技術(shù)的身份識別系統(tǒng)，正逐步應(yīng)用于各個領(lǐng)域。但是,?在?/戰(zhàn)場個人身份識別系統(tǒng)0中是否需要在后臺數(shù)據(jù)庫中存儲指紋、?面像及DNA?等大容量的人體信息，必須根據(jù)應(yīng)用需求進行確定。為此，針對/士兵牌0作為士兵隨身攜帶的身份標志物,應(yīng)具有價格低廉、?防水、防磁、?耐高溫、?使用壽命長等要求。我們針對生物特征信息的特點，主要對部分生物特征進行采集和信息處理。同時，按照具體作戰(zhàn)環(huán)境的需求，依據(jù)總體設(shè)計，分別擴展了不同的內(nèi)容和功能，比如：多生物特征信息融合和?GPS定位等等。?

個人多模態(tài)生物特征識別系統(tǒng)主要通過計算機終端,?首先將指紋、面像和?DNA等，以及文字信息，采集輸入微處理器,進行信息融合后,通過網(wǎng)絡(luò)寫入后臺個體生物特征信息數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，并可與其他有關(guān)軍人的軍事信息，政治信息，醫(yī)療、被裝、工薪、住房等供應(yīng)關(guān)系信息等進行數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)。同時，產(chǎn)生一個唯一的ID序列號，并由?RFI?D讀寫器及其生物特征輔助信息寫入?RFI?D?卡中。然后，識別時只需用?RFID讀寫器讀取ID和生物特征輔助信息，輸入計算機終端后,經(jīng)由無線通訊網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)在個體生物特征信息數(shù)據(jù)庫中對其進行匹配查詢。如圖1：

其中計算機終端可應(yīng)用基于Windows?.?net操作系統(tǒng)的微型計算機，內(nèi)部配置?RFID讀寫器，并由擴展接口，連接生物特征采集器,除?DNA外，目前可對其他特征實時采集、讀寫。RFI?D卡中的信息在寫入的同時需對其進行加密保護。最終建立個體生物特征信息數(shù)據(jù)庫。以下主要針對生物特征的采集、多模態(tài)生物特征信息的融合與?RFID系統(tǒng)的設(shè)計詳細論述。?

2??生物特征的采集設(shè)計?

2?.?1??生物特征識別技術(shù)

生物特征識別技術(shù)就是指通過計算機與光學聲學和生物統(tǒng)計學原理等相結(jié)合，利用人體固有的生理或行為特征，來進行個人身份識別和鑒定的科學。人們通常將生理特征和行為特征統(tǒng)稱為生物特征。生理特征與生俱來,多為先天性的;行為特征則是習慣使然,多為后天性的。然而，人類任何生理或行為特征為實現(xiàn)身份識別,必須滿足以下幾個條件：

第一，普遍性:?即必須每個人都具備這種特征;?

第二，唯一性:?即任何兩個人的特征是不一樣的;?

第三，可采集性:即特征可測量;?

第四，穩(wěn)定性:即特征在一段時間內(nèi)不改變。?

同時，在實際應(yīng)用時,還應(yīng)考慮其他因素:實時性和準確性等等。常用的生物特征包括：指紋、掌紋、人臉、虹膜、視網(wǎng)膜、DNA、手形、簽名、語音、步態(tài)等。與傳統(tǒng)的基于口令和身份號碼的身份識別方法相比,生物特征識別技術(shù)具有不易遺忘或丟失；防偽性能好，不易偽造或被盜；?隨身攜帶0，?隨時隨地可用；價格低廉、易用性高、安全保密等諸多優(yōu)點。下面分別介紹系統(tǒng)中用到的生物特征識別技術(shù)。?

2．2??指紋識別技術(shù)?

指紋識別技術(shù)主要包括:讀取指紋圖像、?特征提取、?模式匹配。首先通過指紋讀取設(shè)備讀取到人指紋的圖像,再對原始圖像進行預(yù)處理,使之更清晰。接下來進行特征提取,?指紋特征提取算法由以下三步組成:?(圖2)?

(a)讀取指紋圖像；(?b)?區(qū)域定位；(?c)?脊特征圖形；(d)細節(jié)提取?

方向場估計：即對輸入圖像的方向場進行估計。?確定可用區(qū)域?

脊特征提取：即提取脊特征并進行細化

細節(jié)檢測及后處理：即從細化的脊特征圖中提取細節(jié)，確定脊特征參數(shù)坐標、方向角及和脊相互關(guān)系。?

用指紋識別技術(shù)建立指紋的數(shù)據(jù)庫，從指紋上找到被稱為/細節(jié)0的數(shù)據(jù)點，也就是那些指紋紋路的分叉、終止或打圈處的坐標位置。有的算法把節(jié)點和方向信息組合產(chǎn)生了更多的數(shù)據(jù)，這些方向信息表明了各個節(jié)點之間的關(guān)系，也有的算法針對整幅指紋圖像進行處理。把兩個指紋的模板進行比較，計算出它們的相似程度，最終得到兩個指紋的匹配結(jié)果，從而達到鑒別個人身份的目的(圖?3)。

指紋自動識別系統(tǒng)是通過將輸入的指紋與數(shù)據(jù)庫里的指紋相比較從而實現(xiàn)識別的，因此它要求數(shù)據(jù)庫的容量足夠大，同時，實驗表明指紋識別系統(tǒng)的輸入傳感器對大約?4?%的人的指紋不能提供足夠高質(zhì)量的指紋圖像以用于識別,?包括手指上的皮膚有傷疤、有繃帶包扎、長繭、皮膚干燥、干濕度、病態(tài)的皮膚、老皮膚、特別光滑的皮膚、手指窄小和輸入傳感器受污染等都會影響指紋的識別效果。?

2?.?3??人臉信號的采集??
人臉識別系統(tǒng)的原理如圖?4所示。首先,，由傳感器如?CCD?攝像機捕獲人臉圖像；其次經(jīng)預(yù)處理來提高圖像的品質(zhì)；再根據(jù)人臉檢測來定位人臉并將人臉圖像設(shè)置成預(yù)先定義的尺寸；特征提取用于抽取有效特征以降低原模式空間的維數(shù)，分類器則根據(jù)特征來做出決策分類。最后，將已檢測到的待識別的人臉與數(shù)據(jù)庫中的已知人臉進行比較匹配，得出識別結(jié)果。?

人臉識別方法主要有:?基于側(cè)面人臉幾何特征的方法、?正面人臉特征方法、?正面人臉特征和側(cè)面人臉特征的混合法、?模板匹配法、?主元分析法、?等密度線圖法、?多模板相關(guān)方法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模板匹配法等。?

2?.?4??其他個人基本信息?

DNA識別是利用人體細胞中?DNA?分子結(jié)構(gòu)的獨特性和永久性,?進一步深度識別個體身份,以致彌補指紋和面像識別技術(shù)中的不足,?完善系統(tǒng)識別的準確性。然而,?與指紋、?人臉信息相比,人體每一個細胞和組織的?DNA?序列都是一樣的。這種識別方法的準確性優(yōu)于其他任何生物特征識別方法,?因此,?廣泛應(yīng)用于犯罪偵破。它的主要問題是使用者的倫理問題和實際的可接受性,?DNA?模式識別必須在實驗室中進行,?難以達到實時以及抗干擾,?耗時長是另一個問題,?從而限制了?DNA?識別技術(shù)的使用;?此外,?某些特殊疾病也可能改變?nèi)梭w?DNA?的結(jié)構(gòu),?系統(tǒng)無法對這類人群進行識別。由于?DNA?識別周期太長,序列的測繪最快也需一個月。因此,它的實時性、?抗干擾性,以及某些疾病引起人體?DNA?的結(jié)構(gòu)改變,是構(gòu)成影響?DNA識別實際應(yīng)用于識別系統(tǒng)的主要問題。?

3??多模態(tài)生物特征信息的融合?

多模態(tài)融合是對多種生物特征指示器(?I?nd?ica?-tors)的信息融合，此類系統(tǒng)集成多個生物特征源提供的證據(jù)評分以做出更為準確和快速的決策。多模態(tài)生物特征識別系統(tǒng)集成的信息可以來自一種或多種生物特征指示器。一般多模態(tài)單生物特征識別系統(tǒng)是指通過綜合一種生物特征提供的多種證據(jù)來改進系統(tǒng),在多模態(tài)生物特征識別系統(tǒng)(?Mult-?i?b?i?ome-?tric?Syste?m?)中，一般采用指紋的多模態(tài)信息融合，從而,滿足數(shù)據(jù)量和準確性的雙向要求。然而，為了進??
一步提高準確性，可采用融合多個生物特征的方法，以提供特殊環(huán)境下的精確識別。

一般來說,融合可以在模式識別三個層次的任一個層次上進行，?即數(shù)據(jù)層融合、特征層融合和決策層融合。目前關(guān)于生物特征數(shù)據(jù)融合的研究主要集中在決策層上，不同的單個特征分別進行獨立的處理，然后進行匹配，得到匹配分數(shù)，最后經(jīng)過一定的融合算法綜合得到結(jié)果。可采用的融合算法有許多種，如多數(shù)投票法、加法和乘法法則、K-?NN分類器、SVM、貝葉斯決策、支持向量機、決策樹等人工智能算法。

3?.?1??特征層的融合?

特征層融合是輸入數(shù)據(jù)經(jīng)過前端處理后對每種生物特征分別得到其特征描述向量,?不同的特征向量集用不同的方法來構(gòu)成新的高維特征向量,?用這個高維特征向量來代表多個生物特征的融合。特征層的融合比前兩層的融合效率高。?

3?.?2??匹配層的融合?

匹配層的融合模塊的輸入是若干個生物認證系統(tǒng)的匹配模塊輸出的分數(shù)。匹配層的融合就是針對這幾個輸入來進行的。在三種融合方式中,?匹配層的融合是最常見的。這是因為匹配層的融合既具有相對比較小的實現(xiàn)難度,又融合了若干個特征各自的信息量。匹配層融合過程中重要方面之一是對不同系統(tǒng)得出的分數(shù)進行歸一化。在進行歸一化以后,不同系統(tǒng)得出的分數(shù)就被映射到一個?N維的空間,在這個空間里再對所有的點進行分類。?

3?.?3??決策層的融合?

不同的單個特征可以分別進行獨立的處理，然后進行匹配得到匹配分數(shù)，最后通過決策融合的過程,將多個匹配結(jié)果經(jīng)過一定的融合算法進行綜合，得到最終的結(jié)果。在決策層進行融合相對來說比較簡單，可利用的信息量也比較少。由于決策層的輸入已經(jīng)是單個生物認證的邏輯輸出，因此決策層的融合可以分為兩種形式：

(1)?OR規(guī)則:在這種系統(tǒng)中,?如果用戶被子系統(tǒng)?H1拒絕,子系統(tǒng)?H2將對用戶再進行一次驗證,如果通過則確定為真實用戶。?

(2)?AND規(guī)則:在這種系統(tǒng)中用戶只有同時被子系統(tǒng)?H1和子系統(tǒng)H?2接受,方能夠被確認為真實用戶。

在具體的應(yīng)用中,?每種融合方式都有各自的優(yōu)缺點。特征層融合雖然效率比較高,?但是不易集成實用的單生物認證系統(tǒng)。匹配層融合既實現(xiàn)了信息能算法的融合，實現(xiàn)起來又不是非常困難,且具有較好的應(yīng)用價值。決策層雖然信息融合的程度比較小,?但是可以用于一些集成的系統(tǒng)當中。

目前關(guān)于生物特征數(shù)據(jù)融合的研究也主要集中在決策研究上,但僅進行決策階段的研究是不夠的,因為在處理過程中忽略了特征之間的關(guān)聯(lián)所帶來的作用和影響,?同時,?主要集中于融合算法的討論,?而忽略了對生物特征的更多考慮,?因此尚需進行數(shù)據(jù)層和特征層的融合。?

4??身份識別工作站的設(shè)計?

4.1??RFID系統(tǒng)?

4.1.1??RFID技術(shù)概述?

RFI?D射頻識別是一種非接觸式的自動識別技術(shù),它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù),識別工作無須人工干預(yù)。與傳統(tǒng)的條形碼相比,具有非接觸、?可擦寫、?快速掃描、?穿透性好、?安全性高、?數(shù)據(jù)存儲容量大,?以及防水、?防磁、?耐高溫、使用壽命長、?讀取距離大等優(yōu)點,可適應(yīng)現(xiàn)代高技術(shù)局部戰(zhàn)爭復(fù)雜的環(huán)境要求。最基本的?RFID系統(tǒng)由三部分組成：

標簽:也被稱為電子標簽或智能標簽,由耦合元件及芯片組成,每個芯片具有唯一的電子編碼,?芯片中存儲有能夠識別目標的信息。

讀寫器:?由發(fā)送器、接收儀、控制模塊和收發(fā)器組成。收發(fā)器和控制計算機或可編程邏輯控制器(?PLC?)連接,，讀取(寫入)標簽信息,設(shè)計為手持式。

天線:在標簽和讀寫器間無線傳遞射頻信號。?

4.1.2?　RFID的工作頻率及其應(yīng)用?

RFID系統(tǒng)的工作頻率是其最重要的一項參數(shù),無線電頻率是一項公用資源,在使用過程中,如果不同的應(yīng)用系統(tǒng)在時間、?空間和頻率三方面出現(xiàn)重疊,則有可能發(fā)生相互干擾。系統(tǒng)間相互干擾的程度與無線電信號的重疊程度及信號的強度有關(guān)。因此,無線電應(yīng)用的規(guī)則是各種應(yīng)用系統(tǒng)必須遵循的基本原則。?

目前國際上制定?R?I?FD標準的組織比較著名的有三個:?ISO、?以美國為首的?EPC?globa?l以及日本的Ub?i?qu?i?tous?ID?C?enter(縮寫為U?ID)。常用的RFID國際標準主要有?I?SO?/IEC18000標準(包括?7個部分,涉及?125?KH?z?,?13?.?56MH?z?,?433MHz?,?860)?960MH?z?,2?.?45GH?z等頻段)。

其中，由于工作頻率為?13.56MHz的高頻標簽便于做成卡片狀，第二代電子身份證采用的標準是I?S014443?TYPE?B協(xié)議。這種標簽是目前的主流應(yīng)用之一。其一般采用無源方案，識讀距離一般可達?20?cm左右,?最遠可達?1?.?5M,可適用于普通的/士兵牌0。有源的識別距離不小于?9m,?實際感應(yīng)區(qū)域可根據(jù)具體情況進行設(shè)置，識別距離?1~10m可以調(diào)整。可靠識別[?100?Km?/h的高速移動目標(人、車、?物)。?

4.2??個體生物特征信息數(shù)據(jù)庫的建立?

通過集成?RFID讀寫器的采集系統(tǒng),?把士兵的I?D和生物特征信息相繼寫入卡中和發(fā)送到計算機終端再存入服務(wù)器后。計算機將個人生物特征經(jīng)過處理錄入服務(wù)器的數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，并綜合其他信息,最終基于數(shù)據(jù)庫平臺,建立一個完整的與生物特征信息相關(guān)數(shù)據(jù)庫,通過數(shù)據(jù)庫的查詢功能,進行戰(zhàn)時、平時個人的信息的管理。同時，可以利用信息化網(wǎng)絡(luò)共享的數(shù)據(jù)庫，建立數(shù)據(jù)倉庫，使用人工智能方法進行數(shù)據(jù)挖掘,?利用有效的數(shù)據(jù)信息，從而，使個體生物特征信息數(shù)據(jù)庫的利用率達到最大化，并有益于科學研究和管理決策。?

4．3??其他功能的擴展?

按照戰(zhàn)場傷員搜救的需要，或其他特殊作戰(zhàn)環(huán)境的需求，系統(tǒng)可采用有源方案，選用超高頻的RFI?D系統(tǒng)，通過構(gòu)建無線通訊網(wǎng)絡(luò)，并由計算機終端擴展GPS定位功能。主要包括：使用在有源RFID標簽和讀寫模塊，此類卡的厚度和成本與無源?RFID相比都會增加。其次，利用藍牙等無線通訊模塊將計算機終端和GPS定位系統(tǒng)連接，在有效范圍內(nèi)，實時發(fā)送方位信息，并由主機選擇確認跟蹤目標，進行定位。從而，實現(xiàn)戰(zhàn)場傷員的搜救工作以及指揮工作。?

5??展望?

國內(nèi)外研究已表明，利用指紋和面像結(jié)合，以及指紋、面像和語音結(jié)合等等生物特征識別技術(shù)進行身份識別，提高識別的準確性，已廣泛應(yīng)用于機場港口的安全系統(tǒng)、身份認證系統(tǒng)、金融領(lǐng)域、門禁系統(tǒng)、考勤系統(tǒng)、流動人口管理以及電子商務(wù)、電子政務(wù)等方面。但是,由于融合指紋、面像和?DNA?圖譜的識別系統(tǒng)是基于無限射頻識別技術(shù)，導致多模態(tài)生物特征信息數(shù)據(jù)存儲量大、?運算速度慢,而有源和無源射頻卡的存儲容量和無線讀寫速度和距離有限，難以適應(yīng)現(xiàn)代高技術(shù)局部戰(zhàn)爭和未來戰(zhàn)爭的實際需要，成為了制約多模態(tài)生物特征識別系統(tǒng)廣泛應(yīng)用的主要瓶頸。相信隨著后續(xù)研究不斷的創(chuàng)新和相關(guān)硬件技術(shù)的高速發(fā)展，多模態(tài)生物特征識別技術(shù)終將能得到更廣泛應(yīng)用，并在戰(zhàn)場個人身份識別中發(fā)揮其更重要角色。